周健

（安徽海螺川崎節(jié)能設(shè)備制造有限公司）

一、引言

鍋爐作為工業(yè)生產(chǎn)中的特種設(shè)備，由于其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)必須承受不同程度壓力和各種應(yīng)力，因此在設(shè)計(jì)過程中有著更高的要求。因?yàn)殄仩t及相關(guān)部件必須在高溫高壓下長時(shí)間運(yùn)行，各部件必須依靠管道進(jìn)行能量傳遞才能滿足鍋爐操作要求，所以管道設(shè)計(jì)中需對結(jié)構(gòu)布局和材料強(qiáng)度進(jìn)行詳細(xì)計(jì)算分析。所以在設(shè)計(jì)工業(yè)鍋爐時(shí)，需要綜合考慮各種因素，最終做出優(yōu)秀的設(shè)計(jì)方案，為工業(yè)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展做出貢獻(xiàn)。

二、工業(yè)鍋爐設(shè)備的特點(diǎn)

工業(yè)鍋爐作為工業(yè)生產(chǎn)活動的專用設(shè)備，因此具有一定的特點(diǎn)。分析工業(yè)鍋爐特點(diǎn)，優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，提高工業(yè)鍋爐設(shè)計(jì)水平，可以保障工業(yè)生產(chǎn)安全穩(wěn)定運(yùn)行。

1.惡劣的工作環(huán)境

工業(yè)鍋爐是一種具有獨(dú)特運(yùn)行特點(diǎn)的特種設(shè)備，主要體現(xiàn)在三個(gè)方面。首先，鍋爐的工作環(huán)境相對較差，對內(nèi)部結(jié)構(gòu)影響較大。工業(yè)鍋爐主要為工業(yè)生產(chǎn)供電，但無論清潔度還是溫濕度因素，運(yùn)行環(huán)境都比較差。一般來說，工業(yè)鍋爐所處的環(huán)境比較惡劣，因此鍋爐內(nèi)部零件的損耗較大，相關(guān)的工作部件也容易變形或損壞。由于鍋爐內(nèi)部結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，連接性強(qiáng)，會引起整個(gè)鍋爐設(shè)備的運(yùn)行問題，為工業(yè)生產(chǎn)的穩(wěn)定運(yùn)行造成阻礙。為此，在設(shè)計(jì)工業(yè)鍋爐的過程中，需要考慮運(yùn)行環(huán)境的影響，對內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)，以降低發(fā)生安全事故的可能性。

2.明顯的破壞性和危險(xiǎn)性

鍋爐除了具有相對惡劣的工作環(huán)境的運(yùn)行特點(diǎn)外，還具有明顯的破壞性和危險(xiǎn)性。分析鍋爐的內(nèi)部結(jié)構(gòu)是一種能量轉(zhuǎn)換裝置，可以看出運(yùn)行結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。但是，由于鍋爐在進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換時(shí)需要承受外部高溫和內(nèi)部壓力。但是，工業(yè)鍋爐受運(yùn)行參數(shù)、水質(zhì)以及日常維護(hù)等多種因素的影響，鍋爐內(nèi)部可能會出現(xiàn)腐蝕、磨損或裂紋。在后續(xù)運(yùn)行中受壓力波動的影響，鍋爐會出現(xiàn)爆管性運(yùn)行問題。這會損壞鍋爐設(shè)備，使其極具破壞性并危及附近員工的生命。因此，在設(shè)計(jì)工業(yè)鍋爐時(shí)，設(shè)計(jì)者必須分析這些因素，并確保零件的合理設(shè)計(jì)，以避免出現(xiàn)安全問題。

3.設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜

在設(shè)計(jì)工業(yè)鍋爐時(shí)，要注意其結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性。工業(yè)鍋爐為工業(yè)生產(chǎn)提供動能，整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)明顯復(fù)雜，零部件數(shù)量較多。但是，這些部件是相互關(guān)聯(lián)的，只有實(shí)現(xiàn)了合理的內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，才能獲得內(nèi)部結(jié)構(gòu)的科學(xué)特性。特別是在管排布置時(shí)，必須科學(xué)地設(shè)計(jì)配管，使工業(yè)鍋爐可靠運(yùn)行，為工業(yè)生產(chǎn)提供更多動力。因此，在設(shè)計(jì)工業(yè)鍋爐時(shí)，要根據(jù)工業(yè)生產(chǎn)的具體特點(diǎn)有針對性地進(jìn)行設(shè)計(jì)，保證鍋爐的運(yùn)行效率。可以說，隨著工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展，鍋爐設(shè)備的功能也逐漸受到人們的關(guān)注。

圖1 鍋爐內(nèi)部結(jié)構(gòu)

三、工業(yè)鍋爐設(shè)計(jì)中需要注意的問題

1.輔助設(shè)備與鍋爐不配套

工業(yè)鍋爐的輔助設(shè)備主要是指輔助機(jī)，是實(shí)現(xiàn)機(jī)械化燃料連續(xù)供給、均勻配風(fēng)、連續(xù)供熱、連續(xù)清除煤渣和高效去除污染物的關(guān)鍵。但目前仍存在與鍋爐配套不足、輔助機(jī)產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定等問題。鍋爐的優(yōu)良性能是節(jié)能減排的基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)機(jī)械化連續(xù)燃燒是穩(wěn)定供煤、穩(wěn)定燃燒、穩(wěn)定排渣所必需的。另外，必須改進(jìn)燃料和空氣分配，必須保證空氣分配的均勻性，使燃料完全燃燒，減少有害氣體的產(chǎn)生。

2.自動控制水平較低

鍋爐運(yùn)行自控裝置的運(yùn)行水平比較低，目前工業(yè)鍋爐一般沒有配備傳感裝置，在實(shí)際的調(diào)節(jié)過程中，操作人員無法對鍋爐的燃燒條件和負(fù)荷變化進(jìn)行調(diào)節(jié)和控制。某些數(shù)據(jù)無法及時(shí)整合，實(shí)際變化會調(diào)整鍋爐的運(yùn)行工況，限制鍋爐和電機(jī)的運(yùn)行效率，造成更嚴(yán)重的浪費(fèi)。

3.高熱高污染問題

工業(yè)鍋爐容量較小，熱效率較低。近年來，我國不斷提高熱電聯(lián)產(chǎn)項(xiàng)目水平，但總體而言，小容量鍋爐的比例仍然較高，但大部分鍋爐運(yùn)行負(fù)荷較低，導(dǎo)致燃燒不完全，熱損失增加，這是嚴(yán)重影響運(yùn)行效率。工業(yè)鍋爐使用的煤大部分沒有經(jīng)過預(yù)處理，因此無法保證粒度和熱值。工業(yè)鍋爐一般為分層燃燒，但缺乏適應(yīng)性，當(dāng)煤種發(fā)生變化時(shí)，鍋爐的運(yùn)行特性也會發(fā)生變化，影響鍋爐的效率。工業(yè)鍋爐排煙溫度較高，污染較大，企業(yè)使用的有機(jī)熱載體鍋爐一般采用分層燃燒，排煙溫度可達(dá)300℃以上，排放大量二氧化氮和二氧化碳，造成嚴(yán)重的環(huán)境污染，并產(chǎn)生大量的熱損失。

4.能源浪費(fèi)情況比較嚴(yán)重

我國目前能源浪費(fèi)的狀況比較嚴(yán)重，我國能源結(jié)構(gòu)的主體是煤炭，其主要產(chǎn)品是燃煤工業(yè)鍋爐，這也是我國產(chǎn)生煙塵型污染的主要原因。目前，我國工業(yè)燃煤鍋爐的比例很高，工業(yè)鍋爐主要用于工業(yè)發(fā)電和建筑供暖領(lǐng)域，每年耗煤4 億噸。見年來，我國也出現(xiàn)能源短缺，在尋找新能源的過程中，必須對工業(yè)鍋爐進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，不斷提高燃燒效率，降低原材料消耗。

5.排污設(shè)計(jì)

鍋爐內(nèi)部結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，結(jié)合力強(qiáng)，如果不能及時(shí)進(jìn)行排污設(shè)計(jì)，會影響鍋爐運(yùn)行效率。在審查鍋爐設(shè)計(jì)質(zhì)量時(shí)，首先要對排污口進(jìn)行科學(xué)設(shè)計(jì)，確定排污口的位置。如果排污口沒有放置在最低位置，鍋爐內(nèi)的所有雜質(zhì)將無法有效排出，影響整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行。同時(shí)，如果底部集箱不設(shè)置排污口，頂部的排污口沒有進(jìn)行科學(xué)規(guī)劃，會對最終的排污效果產(chǎn)生負(fù)面影響。因此，在設(shè)計(jì)鍋爐排污時(shí)，要注意排污口的合理設(shè)計(jì)，規(guī)劃排污系統(tǒng)，保證排污效果。

6.除渣機(jī)運(yùn)行過程中故障較多

長期以來，由于對除渣機(jī)重視不夠，對除渣機(jī)的工作環(huán)境了解不夠深入，除渣機(jī)的設(shè)計(jì)制造存在一些不足，導(dǎo)致除渣機(jī)的功能不夠完善，精度和效率達(dá)不到預(yù)期標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí)，維護(hù)成本仍然較高，除渣機(jī)運(yùn)行中仍存在諸多問題，導(dǎo)致除渣機(jī)運(yùn)行故障率較高。除渣機(jī)運(yùn)行中存在以下問題：除渣機(jī)速度快，螺旋除渣機(jī)直徑和鏟式除渣機(jī)寬度不夠；除渣機(jī)運(yùn)行過程中，渣底板和上鏈支架設(shè)置不當(dāng)，會造成嚴(yán)重磨損；除渣機(jī)驅(qū)動器過載能力小，未安裝電氣或機(jī)械過載保護(hù)裝置；除渣機(jī)并且除渣機(jī)內(nèi)存在大量溫度過高的熱渣，導(dǎo)致除渣機(jī)溫度較高。

7.防焦箱前爐壁破損變形

在鍋爐制造設(shè)計(jì)的相關(guān)規(guī)定中，已經(jīng)規(guī)定了鍋爐防焦箱與爐壁之間的間隙，通常需要保持在10 mm 左右，如果有備件，可以用保溫棉網(wǎng)填充。鍋爐砌筑施工及驗(yàn)收中，也規(guī)定了鍋爐防焦箱與爐墻的距離，需要保持在0 ～10 mm 之間，即焦?fàn)t與爐墻的距離為10-12mm，合格。但理論上考慮到反焦箱在最高溫度下的膨脹，安裝時(shí)需要將反焦箱與爐墻的間隙控制在20mm，這樣可以有效保證反焦箱的正常運(yùn)行，不會對擋墻帶來不利影響。但在實(shí)際設(shè)計(jì)和使用過程中，設(shè)計(jì)間隙往往小于2mm，不可避免地導(dǎo)致爐壁開裂的問題。

圖2 鍋爐排污余熱回收工藝

四、提高鍋爐設(shè)計(jì)的質(zhì)量的具體措施

1.優(yōu)化配套系統(tǒng)

工業(yè)鍋爐在實(shí)際運(yùn)行中，不同系統(tǒng)必須相互配合，才能達(dá)到高的能源利用率，在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化的基礎(chǔ)上改進(jìn)相關(guān)資源的配置，保持更好的相關(guān)支撐系統(tǒng)。結(jié)合工業(yè)鍋爐的型號和特點(diǎn)，可以有效控制相關(guān)的配置工具。只有不斷加強(qiáng)水質(zhì)管理，才能使鍋爐內(nèi)的燃料充分燃燒，提高能源利用效率。在發(fā)展過程中，工業(yè)鍋爐節(jié)能設(shè)計(jì)不是單一的形式，而是逐漸呈現(xiàn)多種形式，從而可以根據(jù)不同的鍋爐型號和規(guī)格進(jìn)行系統(tǒng)節(jié)能設(shè)計(jì)，因此需要配套的系統(tǒng)，還需要進(jìn)行必要的節(jié)能轉(zhuǎn)換，縮小兩者之間的差距，以達(dá)到最佳配合。在工業(yè)鍋爐系統(tǒng)節(jié)能改造過程中，中小企業(yè)的工業(yè)鍋爐差異最大，在具體運(yùn)行管理方面，要根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行調(diào)整和改進(jìn)，科學(xué)調(diào)整必須在認(rèn)識差異的基礎(chǔ)上進(jìn)行，這樣才能保證能源的有效利用，不能采取單一的節(jié)能措施。否則，節(jié)能效果會很差。

2.提供技術(shù)支持材料

工作人員要做好市場調(diào)查，選擇經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的金屬材料，需要員工進(jìn)行市場調(diào)研，還要充分考慮鍋爐制造過程中的腐蝕和磨損。如果水質(zhì)不達(dá)標(biāo)，不僅會影響使用受熱面上有管道破裂問題，也容易出現(xiàn)腐蝕，因此必須做好材料的選擇和驗(yàn)收。在設(shè)計(jì)鍋爐時(shí)，需要維護(hù)一套相關(guān)資料，包括圖紙和設(shè)備設(shè)計(jì)、運(yùn)行、安裝和維護(hù)等相關(guān)資料。制造商必須將這些資料交付給用戶，并確保這些資料及時(shí)更新。鍋爐設(shè)計(jì)和制造藍(lán)圖、手冊等必須由制造商直接提供給買方，如有設(shè)計(jì)變更，需明確通知賣家，并明確注明變更內(nèi)容。

3.合理設(shè)置水位與防爆裝置

工業(yè)鍋爐要進(jìn)行科學(xué)設(shè)計(jì)，除了強(qiáng)度的科學(xué)設(shè)計(jì)外，還要合理設(shè)置水位和防爆裝置。具體來說，在設(shè)計(jì)水位時(shí)，應(yīng)根據(jù)具體的工作環(huán)境進(jìn)行檢查。在鍋爐設(shè)計(jì)過程中，經(jīng)常會出現(xiàn)水位計(jì)接口設(shè)置不夠科學(xué)的問題，具體表現(xiàn)為最低水位低于或高于最高火界，影響鍋爐運(yùn)行的穩(wěn)定性。鍋爐運(yùn)行比較危險(xiǎn)，會引起各種問題，需要防爆設(shè)置。工業(yè)生產(chǎn)中以燃油鍋爐和燃?xì)忮仩t為主，容量值不斷增加，僅使用防爆門進(jìn)行防爆設(shè)置，不能滿足防護(hù)需要，不能滿足生產(chǎn)安全操作要求。作為工業(yè)生產(chǎn)的鍋爐，通常是比較大的，但是如果防爆門的面積小或者距離太遠(yuǎn)，就達(dá)不到防爆的目的。在防爆設(shè)計(jì)的情況下，可以通過自動防火裝置進(jìn)行防爆工作，并且可以通過在有爆炸危險(xiǎn)的位置安裝防爆門來保障工作人員的生命安全。

4.改造燃燒系統(tǒng)，應(yīng)用清潔燃燒技術(shù)

采用煤氣化無鉛燃燒技術(shù)改造鍋爐燃燒系統(tǒng)，該技術(shù)的關(guān)鍵是最終實(shí)現(xiàn)燃燒過程中使用的固體煤氣完全燃燒的目標(biāo)。采用該技術(shù)可有效防止煤炭燃燒時(shí)產(chǎn)生灰分，提高燃燒效率。過去在鍋爐周圍安裝除塵裝置，但效果不大。使用該技術(shù)可以有效減少廢氣中的粉塵總量，這對空氣和環(huán)境保護(hù)非常重要。因此，要推廣煤氣化無鉛燃燒技術(shù)，必須對鍋爐結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造。目前，在火力發(fā)電過程中，下飼式爐排、振動爐排、角管式鍋爐等各種先進(jìn)的鍋爐燃燒技術(shù)已得到廣泛應(yīng)用，以節(jié)約煤炭，減少有害氣體排放，減少空氣污染。

5.提高能源的使用效率

提高能源利用效率意味著提高鍋爐的設(shè)計(jì)和運(yùn)行效率，而不是簡單地增加鋼材消耗以實(shí)現(xiàn)更多的輻射和對流換熱面。對于燃煤鍋爐，改善爐膛空氣分布，提高燃煤率，有效降低爐渣含碳量，巧妙配置爐膛燃燒動力場，使鍋爐在寬煤種的范圍內(nèi)均可保證較好的燃燒。鏈?zhǔn)饺济哄仩t常用的方法有采用分層給煤技術(shù)、雙人字拱的節(jié)能爐拱、爐內(nèi)一次二次風(fēng)的合理布置等。對于燃?xì)忮仩t，由于燃燒氣體的灰分含量較高，一般嚴(yán)格控制煙氣流量，防止對流換熱面磨損，影響其使用壽命。用于煙氣對流段增加煙氣流量，增加對流換熱系數(shù)。另一方面，以天然氣為燃料的鍋爐煙氣中水蒸氣的體積含量通常在15%至19%之間，這遠(yuǎn)高于燃煤鍋爐煙氣中不到6%的水蒸氣含量。目前，鍋爐熱效率是以低熱值計(jì)算的，雖然標(biāo)稱熱效率高，但由于高熱值和低熱值的差異，需要提高實(shí)際能源利用率。為充分利用能量，降低廢氣溫度，回收廢氣物理熱能，當(dāng)換熱器壁溫低于廢氣露點(diǎn)溫度時(shí)，煙氣中的水蒸汽將被冷凝，釋放潛熱，10%的高低位發(fā)熱量差就能被有效利用。

6.工業(yè)鍋爐的環(huán)保措施

進(jìn)行工業(yè)鍋爐的爐膛設(shè)計(jì)時(shí)，其中最重要的是爐膛容積的設(shè)計(jì)，其大小既要保證燃料完全燃燒，又要符合燃料燃燒標(biāo)準(zhǔn)。還必須設(shè)計(jì)有良好的傳熱效果，才能有效地將熱量傳給坯料。在設(shè)計(jì)爐膛時(shí)，必須考慮燃燒方式、燃料種類、燃燒器布置、熱負(fù)荷等幾個(gè)因素。這取決于燃燒釋放的熱量不同，熱量越高，產(chǎn)生的氣體越少。這是由于充分燃燒的因素。但是，如果不同燃料燃燒產(chǎn)生的熱量是恒定的，則廢氣的體積明顯不同。因此，可以根據(jù)完全燃燒來設(shè)計(jì)爐子的高度，并根據(jù)該值和其他特性計(jì)算出爐子的最終高度。但在最終確定爐高時(shí)，除考慮完全燃燒的特點(diǎn)外，還要根據(jù)爐膛本身是否能容納燃燒裝置，如果燃?xì)鈸Q熱爐正常，則流量正常，應(yīng)充分考慮耐高溫、耐磨、溫度變化快、不發(fā)生氧化反應(yīng)等特點(diǎn)，對爐底耐溫變要求較高，必須承受重量和受因氧化、沖擊、摩擦和旋轉(zhuǎn)引起的溫度變化。

五、結(jié)束語

設(shè)計(jì)是工業(yè)鍋爐安全穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，只有保證設(shè)計(jì)合理，才能為鍋爐安全高效運(yùn)行奠定良好的基礎(chǔ)。工業(yè)鍋爐的設(shè)計(jì)應(yīng)重點(diǎn)綜合分析管道結(jié)構(gòu)布置、強(qiáng)度計(jì)算和壽命，以及鍋爐運(yùn)行過程中可能出現(xiàn)的各種情況。通過分析工業(yè)鍋爐設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意的問題，為以后的設(shè)計(jì)工作提供參考資料，可以提高鍋爐設(shè)計(jì)水平。